电磁辐射场论文

电磁辐射场论文（共9篇）

电磁辐射场论文 篇1

0 引言

为了避免患者在接受X线影像检查时遭受过多的辐射危害,目前国内对医用诊断X线机的辐射剂量采取强检措施,所使用的X线剂量计每年需要在标准辐射条件下校准一次。本研究采用标准剂量计对建立的X线辐射场进行了测量,按照GB/T12162.1—2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第1部分:辐射特性及产生方法》的要求计算辐射场的均匀性,按照JJF 1033—2008《计量标准考核规范》标准的要求计算稳定性和重复性,并将计算结果与IEC 61267:2004《Medical diagnostic X-ray equipment radiation condition for use in the determination of characteristics》的要求进行比较,对辐射场进行评定,现报道如下。

1 均匀性测量

1.1 均匀性

辐射场均匀性表示在应用平面上的辐射剂量的一致性,GB/T 12162.1—2000中4.5.2对辐射场的均匀性作出了定义。在选定的应用范围内,确定测量点,对每一测量点在整个探测器灵敏体积上测量空气比释动能率,测量计算得到的在应用平面上的空气比释动能率的变化称为均匀性,标准条件辐射质的均匀性不应超过5%[1]。在测量辐射场均匀性时,先根据使用要求在应用平面上确定一个区域,再在区域内选取若干测量点,测量其空气比释动能的值,按公式(1)计算空气比释动能率的相对变化作为均匀性的测量结果:

式中,Er为辐射场的均匀性,Kmax为测量区域内空气比释动能的最大值,Kmin为测量区域内空气比释动能的最小值,K軍为测量区域内空气比释动能的平均值。

1.2 测量区域的确定

在标准辐射场均匀性测量前,首先必须确定测量区域,测量区域的确定必须满足实际使用的需要。实际使用中包括2种情况,一种是使用辐射场对被校准设备进行校准,另一种是使用标准剂量计对辐射场进行刻度。这2种情况下使用的辐射检测器件可能不同,目前诊断X线辐射场测量使用的电离室直径较大的约为50 mm,较小的尺寸为毫米级。测量传感器一般采用半导体器件。因此,本研究以原点为中心,选取52 mm×52 mm的正方形区域作为测量区域,测量点之间的间距为2 mm,测量点的布置采用平面上间隔2 mm的点。如果设测量点为(x,y),其中x={-26,-24,-22,…,0,…22,24,26},y={-26,-24,-22,…,0,…22,24,26}(单位均为mm),则测量点Z={x,y}共有729个测量点。

1.3 传感器及X线发射条件的确定

目前用于X线辐射剂量的测量器件主要有2种:空气电离室和半导体传感器[2]。空气电离室是利用电离辐射的电离效应测量电离辐射的传感器,半导体传感器是用半导体制成的将射线能量转换成电信号的探测器。均匀性测量要求对被测范围内所选取的位置点的剂量进行测量,测量传感器体积越小,测量的结果越能体现该点的实际辐射剂量值,还要求测量设备能够满足稳定性要求,对于测量值的绝对量值是否准确要求不高。因此我们选择半导体传感器作为测量器件,采用了目前市场上应用较广的RTI Electronics公司的半导体辐射探测器R100。

测量所使用的辐射条件需要具有代表性,从目前使用的建标标准[3]和测量标准(或规程)[4]中可以看到,70 k V的辐射条件是每个标准都涉及的重要条件,因此,我们将管电压设定为70 k V[5]。目前医院所使用的DR设备的电流时间积输出范围在1~320 m As,常用的范围一般都小于30 m As[6],常用的电流时间积范围在5~20 m As[7],结合标准辐射源装置的实际技术参数,我们选定采用80 m A管电流和200 ms曝光时间,实际的电流时间积值为16 m As。

1.4 辐射场空气比释动能的测量

把传感器固定在双向移动平台上,打开激光标线,确定辐射场中心位置,调节双向移动平台,使传感器中心和激光标线中心重合。在此点进行3次曝光测量,记录3个测量数据;移动传感器2 mm到临近的下一个点,曝光3次,测得3个数据。重复上述操作,直到完成729个测量点的测量,测量结果中的最大值为74.12 p C,最小值为70.59 p C,平均值为72.839 4 p C,测量结果的数据分布如图1所示。根据公式(1)计算出辐射场的均匀性为4.85%,小于5%,满足建立标准辐射场的要求。

2 重复性测量

2.1 辐射场的重复性

辐射场的重复性是指在相同条件下,用标准剂量计对辐射场进行测量,所测得的观测值的实验标准差s(y)表示在相同辐射条件所能提供相近似示值的能力。重复性测量的相同条件包括测量程序、人员、仪器、环境等。因此,必须在尽量短的一段时间内完成重复性测量。在计算时通常用一组测量结果yi的实验室标准差s(yi)来表示[8]。若测量得到的数据为yi(i=1,2,…,n),则其重复性s(yi)为

式中,为n次测量结果的算术平均值;n为重复测量次数,应尽可能的大,一般应不少于10次。

2.2 标准辐射条件RQR5的重复性测量

将标准剂量计的电离室置于应用平面与辐射场中心轴的交点上,电离室的中心点与激光标定点重合,曝光条件设置为:管电压70 k V、管电流50 m A、曝光时间1 000 ms。在相同条件下每半月对空气比释动能进行10次独立重复测量,按照公式(2)计算其重复性,测量结果见表1。取测量结果最大值作为最终的重复性测量结果,则重复性的最终测量结果为0.50%。

3 稳定性测量

3.1 稳定性的概念

在计量标准考核中,计量标准的稳定性是指用该计量标准在规定的一段时间间隔内测量稳定的被测对象时所得到的测量结果的一致性。也就是说,计量标准的稳定性除与计量标准中计量标准器的稳定性有关外,还与其主要配套设备在内的测量系统的稳定性有关。

对于已建计量标准,选择稳定的被测对象,每年同一时间用该计量标准进行一组n(n≥10)次的重复测量,取其算术平均值作为测量结果[9]。以相邻2 a的测量结果之差作为该段时间内计量标准的稳定性。

3.2 稳定性的测量

曝光条件设置为:管电压70 k V、管电流50 m A、曝光时间1 000 ms。将电离室的中心点置于应用平面与基准轴的交点上,在较短时间内采用相同条件进行一组10次独立的重复测量,每隔一个月进行一组测量,共测量6次,计算稳定性。测量结果见表2。

3.3 稳定性的判定

依据“标准的建立与保持”规程JJF 1033—2008《计量标准考核规范》,对于已建标准的稳定性判定需要符合2个条件:变化量随机没有趋向;组间变化量小于标准的不确定度[10]。对实验的测量数据进行分析,6组数据随机变化,没有趋向性;标准规定的扩展不确定度为3.0%(置信因子k=2),即合成不确定度为1.5%,而组间的最大相对变化量为0.53%,小于合成不确定度。因此本标准装置的稳定性符合要求。

4 结论

本论文依据IEC 61267:2004《Medical diagnostic X-ray equipment radiation condition for use in the determination of characteristics》及JJF 1033—2008《计量标准考核规范》,采用标准剂量计对已建辐射场进行了测量,分析计算了其均匀性、重复性和稳定性,证实该辐射场各测量参数满足标准要求。同时针对RQR5进行了测量、计算和评定,此方法同样可以用于其他辐射质的测量和评定。

参考文献

[1]用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第1部分:辐射特性及产生方法:GB/T 12162.1—2000[S].北京:中国标准出版社,2000.

[2]刘俏.医用诊断X射线辐射源空气比释动能测量结果的不确定度评定[J].中国计量,2014(4):90-91.

[3]Medical diagnostic X-ray equipment radiation condition for use in the determination of characteristics:IEC 61267:1994[S].

[4]医用电气设备X射线诊断影像中使用的电离室和(或)半导体探测器剂量计:GB/T 19629—2005[S].北京:中国标准出版社,2005.

[5]医用诊断X射线辐射源:JJG 744—2004[S].北京:中国标准出版社,2004.

[6]刘晶磊.医用诊断X射线机检测与评价[J].中国卫生工程学,2001,1(3):143-148.

[7]曲良勇.数字X射线摄影设备(DR)曝光条件与剂量学参数相关性研究[J].中国辐射卫生,2010,19(3):279-281.

[8]邢菁.计量标准装置测量重复性考核和稳定性的测试[J].计量与测试技术,2005,32(10):12-13.

[9]马世英.计量标准的测量重复性考核和稳定性考核[J].中国计量,2007(2):34-35.

[10]计量标准考核规范:JJF 1033—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

电磁辐射场论文 篇2

对耦合板间接静电放电辐射场的数值分析

静电放电(ESD)抗扰度实验是电磁兼容(EMC)实验和测试技术的一项非常重要的实验之一,主要用于测试电子器件及设备的电磁敏感度.目前该标准规定了2种放电方式:直接放电和间接放电.其中间接放电模拟的是带电操作人员对受试器件放电的情形,这在实际生活中经常发生.本文基于IEC61000-4-2中规定的.抗扰度实验平台,采用时域有限差分法(FDTD),结合脉冲函数形式的放电电流波形表达式,在对垂直耦合板实施间接放电情形下,对其附近空间的瞬态辐射场作了数值分析与计算.

作 者：徐晓英 李庆容 李琼丽 张希军 XU Xiao-ying LI Qing-rong LI Qiong-li ZHANG Xi-jun  作者单位：徐晓英,李庆容,李琼丽,XU Xiao-ying,LI Qing-rong,LI Qiong-li(武汉理工大学,理学院,湖北,武汉,430070)

张希军,ZHANG Xi-jun(军械工程学院,静电与电磁防护研究所,河北,石家庄,050003)

刊 名：河北大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 27(6) 分类号：O441 关键词：静电放电   耦合板   IEC61000-4-2   FDTD  

工业料位计辐射场剂量分布研究 篇3

关键词：工业料位计,辐射场,剂量分布,测量

核技术在近年来在医疗、农业、工业等多个领域都得到了较为广泛的应用, 为国民经济的发展提供了有效的技术支持, 工业料位计就是核技术应用的典型例子。工业料位计具有在线控制、在线分析、在线检测等显著的特点而被日益增多的工业企业所选用。其基本工作原理是利用对射线强度进行测量来将原料厚度准确地计算出来, 计算精度较高, 在水泥厂机立窑的料位自动控制中应用价值较高。但是由于工业料位计在使用过程中有可能会出现泄露的现象, 那么就会在其附近出现辐射剂量异常区, 会直接危害到相关的工作人员及周围环境, 因此, 很有必要对工业料位计辐射场剂量分布进行研究。

1 工业料位计的组成及辐射场形成机理

工业料位计是由后续控制电子电路、电离室γ射线探测器、防护铅罐、γ辐射源等多个部件组成, 137CS源是工业料位计最为常用的放射源, 所释放出来的γ射线能量可以达到0.661Mev。137CS放射源衰变之后就会产生β射线和γ射线, 而β射线的射程只有几厘米, 辐射范围极为有限, 基本不会影响到周围环境, 由此可见, γ射线才是最为主要的污染源。物质与γ射线在一起作用, 会产生电子对效应、康普顿散射、光电效应三种形式。这三种形式的发生率往往直接与作用物质的原子序数、射线能量存在着较为密切的关联, 电子对效应主要是物质与高能量光子相互作用的形式, 康普顿散射主要是物质与中等能量光子相互作用的形式, 光电效应则主要是物质与低能量光子相互作用的形式。

因此, 物质对射线的散射是工业料位计辐射场的形成基础, 射线与料封管中的物质发生康普顿散射效应, 料封管成为射线路径中的散射物, 它对料位计的辐射剂量分布会产生影响。

2 工业料位计辐射场剂量分布的测量

2.1 测量仪器

选用X-γ辐射检测仪 (型号为AT1123型) 来测量工业料位计的辐射场剂量分布, X-γ辐射检测仪探测器类型塑料闪烁体, 该仪器响应的能量响应为60ke V-3Me V, 时间响应大于30ms, 仪器量程范围50n Sv/h-10Sv/h, 测量固有误差±15%, 各项性能参数完全符合现场测量要求。

2.2 测量方法

首先, 关闭放射源准直孔, 对环境辐射剂量本底值进行有效地测量;其次, 将放射源准直孔打开来进行逐点测量。单次测量时间为10s, 每个测点测量次数为5次, 测量结果则为5次测量的平均值。

2.3 测量结果

(1) A企业料位计剂量分布。基于现场的实际环境条件来将平面布点图绘制成如图1所示, 料位计辐射剂量分布测量结果如表1所示。由表1可以看出, 剂量较大的异常区出现在工业料位计的放射源一侧, 同时由于附近建筑物的影响, 个别区域还出现了剂量削弱或者剂量叠加的现象。本次测量的最大值出现在5号测点, 距源3m范围内, 由于剂量已经达到了354.94×10-8Sv/h, 那么应该要重点关注。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。

(2) B企业料位计剂量分布。基于现场的实际环境条件来将平面布点图绘制成如图2所示, 料位计辐射剂量分布测量结果如表2所示。由表2可以看出, 剂量较大的异常区出现在工业料位计的放射源一侧, 同时由于附近建筑物的影响, 个别区域还出现了剂量削弱或者剂量叠加的现象。本次测量的最大值出现在9号测点, 距源3m范围内, 由于剂量已经达到了259.33×10-8Sv/h, 那么应该要重点关注。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。

3 结语

总之, 对A企业和B企业的料位计辐射剂量分布测量结果进行综合发现:剂量较大的异常区都出现在工业料位计的放射源一侧;料封管中的物质、放射源活度与异常区的剂量强度、辐射半径都存在着较为密切的关系;与放射源后方相比, 放射源两侧的辐射场剂量都较大, 呈现出较为明显的“双峰”状。而工业料位计探测器的另外一侧辐射剂量很小, 基本不会对工作人员身心健康造成影响, 因此, 可在这一侧进行相应的操作。

参考文献

[1]高起发, 高秀玉.吕振祥秦山核电站首炉燃料组件生产对辐射环境影响的初步分析[J].辐射防护, 2011, 17 (01) :144-145.

[2]谈春明, 向新程, 刘以思.用蒙特卡罗方法计算集装箱检测大厅辐射场剂量分布及其散射体的影响[J].辐射防护, 2010, 16 (6) :341-347.

[3]李正平, 徐超, 吴瑞生.雨nte Carlo模拟研究Y射线密度计的辐射剂量场, 核技术[J].2006, 16 (03) :178-181.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中华人民共和国国家标准—建筑材料放射性核素限量[S], 2001.

电磁辐射场论文 篇4

以行波管放大器中辐射场的非线性不稳定阈值分析为基础,对辐射场从频率分叉到混沌的演化过程和不同区域这些非线性不稳定态的时间特性和频率特性进行了研究.在“软”非线性区域,辐射场表现为极限环振荡和频率分岔,频谱是离散的且相对于载波频率是不对称的..这种不稳定是阵发性的,适当的调节控制参量,可使器件工作在所需的定态或极限环振荡态上;在“硬”非线性区域,辐射场表现为非周期的随机振荡和频率混沌,频谱连续且频带很宽,场幅值较大的成分集中在接近于零频的低频范围里.这种不稳定是连续性的,不能通过调节参量来消除.

作 者：郝建红 丁武 作者单位：郝建红(中国工程物理研究院研究生部,北京,100088;石家庄师范专科学校物理系,石家庄,050801)

丁武(北京应用物理与计算数学研究所,北京,100088)

电磁辐射场论文 篇5

无线电电磁环境的优劣直接影响无线电设备的工作质量, 也会影响无线电监测站接收系统的灵敏度[1,2], 进而影响监测数据的准确性。为保证无线电监测站的监测效果, 定期对监测场地周围的电磁环境进行全面、系统的监测显得十分必要。

福建监测站测向天线场建设于福建省某地, 安装了德国某公司的测向天线阵ADD011和短波测向系统DDF01E。但近年来随着区域经济发展, 测向天线场周边陆续建成或拟建高速公路、铁路等工程项目, 与天线场的距离均不满足国标要求[3,4]。国标GB13614-1992规定各种无线电干扰源和障碍物与短波无线电测向台站之间的保护间距如表1所示。

2 测试方法

2.1 测试方案

传统的电磁环境采集多使用频谱仪作为监测设备, 但因频谱仪存在扫描速度偏慢、频率分辨率较低、互调干扰较大及只有单一峰值检波方式等问题[5], 目前电磁环境采集多采用接收机进行, 并通过远程控制软件自动存储监测数据, 大大提升了自动化程度。其中, R&S EM510全数字式HF接收机, 覆盖9k H z-32 M H z频段, 且不包含混频器和本振, 由天线接收的信号经过高/低通滤波器的预选后直接进入A/D转换器, 具有出色的RF特性、宽动态范围、极高的扫描速度及强大的数字信号处理能力, 非常符合本测试的要求。

2.2 测试系统

本文搭建的电磁环境采集的设备如表2所示, 系统框图如图1所示。信号由电源模块IN600驱动的测试天线R&S HE010 (如图1) 接收并进入EM510接收机进行处理, 最后由笔记本的远控软件采集存储接收机处理后的数据 (如中心频率、电平等) 。

2.3 测试步骤

为保证测试的精度要求, 测量参数的正确设置、测试数据的采集和处理都很重要。根据相关国标及ITU建议书, 对测量参数设置如表3所示。

本文进行的测试主要分六个步骤: (1) 在待测场地选择在天线仰角3°范围内无遮挡的区域为测试点; (2) 在测试点按照测试系统框图连接好测试设备并加电, 设备和控制软件自检正常; (3) 根据对接收机工作参数进行设置; (4) 在测试频段中选择无明显信号特征的频段, 以1MHz的频段间隔读取背景噪声数值; (5) 进行24小时不间断测试, 分别记录不同时段的测试结果; (6) 根据背景噪声计算公式进行计算。

式中, E为电磁环境噪声场强;U为接收机测得的环境电平值;K为天线系数, 这里取HE010天线的天线系数16.7d Buv/m (见图2) 。

3 实验结果

通过24小时连续监测, 我们初步掌握了福建监测站将口测向天线场背景噪声情况。从监测结果上看, 福建监测站测向天线场不同频段的背景噪声差别较大, 其中低频段背景噪声较高, 高频段背景噪声较低。由于不同频段的业务类型不同, 导致背景噪声的场强在不同频段有所差异, 例如广播业务背景噪声相对有规律, 而水上业务频段的电磁环境统计规律性不明显。此外, 通过监测发现, 福建监测站测向天线场在短波频段经常出现各种无线电干扰。

3.1 电磁环境监测结果

福建监测站将口测向天线场背景噪声强度 (d Buv/m) 在固定时段随频率 (MHz) 的变化情况 (如图3上所示) , 随着频率增高, 背景噪声整体上呈下降趋势。此外, 短波低频段的背景噪声电平整体偏高, 势必导致监测工作中监测到的小信号信噪比降低, 给监测工作带来困难, 这与福建监测站2014年对6MHz-7MHz频段的监测情况相符。

考虑到短波监测站的测向天线场选址时应选择电磁环境良好、短波频段背景噪声较低的偏远地区进行建设, 因此, 其他监测站的测试结果也具有参考价值。我们进一步比对了2011年深圳监测站相同时段相同频段的背景噪声监测数据 (如图3下所示, 福建监测站该时刻短波频段的背景噪声 (35d Buv/m) 高于深圳监测站金水湾站区的背景噪声监测结果 (29.9d Buv/m) 。通过从福建监测站监测/测向定位数据库调取2009年与2014年福建监测站利用DDF01E测向设备对国家授时中心10MHz信号的监测情况对比 (如图4所示) , 2 014年该信号附近背景噪声 (-10 d Buv/m) 相较于2009年 (-20d Buv/m) 高出10d B。

本文还对各个频段背景噪声的24小时变化情况进行统计, 以福建监测站2014年重点监测的1516MHz频段的背景噪声变化为例 (如图5上所示) , 该频段背景噪声随时间变化不显著, 这也与深圳监测站测试的情况相符。进一步参考ITU无线电规则可知, 15MHz-16MHz频段主要用于广播业务使用, 该段其他业务用户为了确保自身设备使用效果也有意识地使用其他可用频段, 避开大功率的广播业务频段, 从而导致了相同时间段内福建监测站与深圳监测站背景噪声测量结果接近。

3.2 干扰情况

通过监测发现, 福建监测站测向天线场背景噪声经常出现各种的干扰以短时突发干扰 (如图6所示) 和等间隔脉冲干扰 (如图7所示) 居多。

经过持续监测和统计分析, 天线场短波频段的干扰情况统计表 (如表4所示) , 其中干扰1表示短时突发干扰, 干扰2表示等间隔脉冲干扰的情况。由此可知, 福建监测站测向天线场短波频段的电磁环境恶化显著。

对于地面测向机而言, 二次辐射体对测向准确度的影响是不容忽视的。桅杆、树木、导线、烟囱、各种金属物体、房屋及其他具有一定导电性的建筑物, 都可能成为二次辐射体。它们在被测辐射源电磁场作用下, 在其上产生感应电动势, 从而产生高频电流。这个高频电流就形成了二次辐射电磁场, 它与主电磁场同时作用的结果, 使得到达测向天线处的电磁场波前发生变化, 因而产生测向误差[1]。福建监测站测向天线场周边高速公路、铁路过往车辆等导电体, 造成的电磁辐射往往会引起短时突发干扰, 而国标规定的电气化铁路接触网电压达到27.5 k V, 属于高压电, 则是造成等间隔脉冲干扰的主要原因。参考相关国标在福建监测站测向天线场周围未发现其他干扰源, 由以上测试结果可推断路桥工程对福建监测站测向天线场的影响很大。考虑到福建监测站测向天线场周边大量路桥工程项目与天线场的距离不满足国标要求, 而电气化铁路形成的电磁干扰与机车受电弓的性能、接触网的质量、机车走行速度、牵引电流以及天气好坏等多种因素有关, 因此, 路桥工程项目对测向天线场电磁干扰的定量计算仍有待进一步确定。

4 结束语

短波电磁环境状况良好是确保各短波监测站稳定开展各项监测工作的前提。本文首先介绍了福建监测站测向天线场受干扰现状, 然后利用设计的实验链路对福建监测站短波测向天线场进行了24小时持续监测, 得到天线场周边电磁环境测试数据, 并根据监测结果定性分析了干扰类型及规律。由监测结果可见, 福建监测站测向天线场的电磁环境出现了一定程度的恶化, 与天线场周边路桥工程的建设有较大关系。

摘要：无线电电磁环境的优劣会影响无线电监测站接收系统的灵敏度, 因此, 定期对监测场地周围的电磁环境进行全面、系统的监测显得十分必要。本文针对这个问题搭建了实验链路, 设计了实验步骤完成了监测场地电磁环境采集测试。测试结果显示, 福建监测站测向天线场受周边不符合国标规定的路桥工程影响, 出现短时干扰和等间隔脉冲干扰, 电磁环境出现恶化。

关键词：电磁环境,EM510短波接收机,测向天线场,电磁干扰

参考文献

[1]周鸿顺等.频谱监测手册[M].北京:人民邮电出版社, 2006

[2]鲁道夫·格拉鲍主编.平良子译.无线电测向技术[M].成都:西南电子电信技术研究所, 1993

[3]GB13614-2012短波无线电测向台 (站) 电磁环境要求[S]

[4]GB13617-1992短波无线电收信台 (站) 电磁环境要求[S]

电磁辐射场论文 篇6

时域有限差分法( the finite difference time domain method,FDTD)[1,2,3]是目前电磁仿真领域使用最多的方法之一。为了在仿真区域中激励出电磁波,必须以适当的方式在仿真区域中加入激励源。 总场 - 散射场源[4,5,6]是时域有限差分法的最常用的激励源,但受时域有限差分法电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,不可避免地会有入射波泄漏到散射场区,从而使计算结果带有由于电磁泄漏而产生的误差。针对这一问题,本文提出了一种用亚网格技术[7,8,9]来减少总场 - 散射场源电磁泄漏的方法,并通过数值实验证明了这一方法的有效性。

1基本原理

总场 - 散射场源产生电磁泄漏的原因是时域有限差分法固有的电场和磁场数值采样既不同位又不同时的做法,即在空间排布上,电场采样位置和磁场采样位置差半个空间步长,在时间递进上,电场采样时刻和磁场采样时刻差半个时间步长。因此本文设想,如果能够使用较小的网格进行仿真,则空间步长和时间步长都将减小,总场 - 散射场源的电磁泄漏也会得到有效的削减,但如果在整个仿真区域都使用较小的网格,势必使算法所需计算机内存和计算耗时大幅度增加。故综合考虑后采用了以下方案: 在总场区和散射场区的连接界面附近,使用少量亚网格进行仿真,而在其它区域,使用主网格进行仿真,在主网格和亚网格的交界面上,采用适当的插值方法实现主网格区和亚网格区的数据交换,其具体原理如图1所示。这样既减小了总场 - 散射场源的电磁泄漏,又使算法的总的内存需求和计算耗时不至于增加很多,实现了算法精度和算法效率之间的一个较好的平衡。

2数值实验

为了验证上述方法的有效性,文中编程进行了数值实验。编写了两套程序,两套程序模拟的都是平面波在一维空间的传播情况,但第一套程序用传统的总场 - 散射场方法加入激励源,第二套程序用本文提出的亚网格方法加入激励源。两套程序的网格长度均为 Δs = 0. 01 m,时间步长均为 Δt = Δs/3c, 其中c为光速。第二套程序的 亚网格的 长度为 Δs'= Δs /5 ,在亚网格区域仿真时 的时间步 长为 Δt'= Δt /5。模拟区域的大小为200个网格,其中总场区为中间的100个网格。第二套程序中亚网格的设置为在总场 - 散射场连接面两侧各设置5层亚网格。吸收边界条件采用Mur吸收边界条件[10,11]。

简谐源和高斯源是实践中应用较多的两种激励源,本文对由两种激励源产生的平面波都进行了仿真,两种激励源的具体形式分别为:

其中,λ = 28Δs ,n0= 200 ,ndecay= 50 。当使用简谐源时,计算时间总步数为900。当使用高斯源时, 为使高斯脉冲不致于完全离开总场区,计算时间总步数改为450。

图2 - 5分别给出了仿真结束时两套程序仿真的波形曲线。可以看出,不论是用传统的总场 - 散射场方法加入激励源,还是用本文提出的亚网格方法加入激励源,电磁泄漏都是不能绝对避免的,但究竟那种方法引起的电磁泄漏小,从图上不容易看出, 因此文中又引入了一个量S ,并定义:

其中,Ei0为散射场区中某点的电场的理论值,Ei为该点的电场的仿真值,整个求和对散射场区中所有点进行。根据该结果即可评估电磁泄漏的大小,显然该结果越小,电磁泄漏也越小。程序中计算了和四幅图对应的S值,分别为4. 78 × 10-2、4. 64 × 10-2、8. 02 × 10-6和7. 91 × 10-6,其中后两个结果比前两个结果小4个数量级,这是由于后两个结果对应的是高斯脉冲,而高斯脉冲没有完全离开总场区且高斯脉冲两侧的电场近乎为零的缘故。由这些结果可以看出,采用本文提出的方法加入激励源可以有效地减小总场 - 散射场源的电磁泄漏。

3结束语

以往的亚网格方法主要用来模拟电磁散射体的精细结构。本文把亚网格方法用于模拟总场 - 散射场源,有效地减少了总场 - 散射场源所固有的电磁泄漏。

此外,由于所有波的波动方程都是一样的,相应的时域有限差分法也大同小异,所以本文提出的方法并不局限于电磁波的数值仿真,也可推广用于其它波如声波、地震波等的数值仿真。

摘要：总场-散射场源是时域有限差分法(FDTD)最常用的激励源,但受时域有限差分法电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,不可避免地会有入射波泄漏到散射场区,从而对计算结果造成影响。文中提出一种减少总场-散射场源电磁泄漏的方法,其基本原理是:在总场区和散射场区的连接界面附近,使用亚网格进行仿真,而在其它区域,使用主网格进行仿真。使用亚网格仿真时,空间步长和时间步长均明显小于使用主网格仿真时的空间步长和时间步长,从而可以明显减小在加入激励源时电场和磁场数值采样既不同位又不同时的影响,大幅度地改善计算结果。编程进行了数值实验,实验结果表明新方法在减少总场-散射场源电磁泄漏方面效果明显。

电磁辐射场论文 篇7

核设施退役作业过程具有高放射性,且复杂程度高,需要在前期开展大量的相关科研工作。在制定具有安全性、可靠性、经济性的退役工程计划过程中[3,4],核设施退役环境中三维辐射场大量的可靠性计算与数据的采集至关重要。考虑到作业人员受到的照射保持在尽可能低的水平、退役费用的节省, 将虚拟现实技术运用到核设施退役过程中三维辐射场的计算和评估,不仅在人员的安全性上有足够的保障,而且在经济性和可靠性上具有突出优势[5—7]。对于给定的核设施退役作业过程场景,构建了目标问题动态三维辐射场模型; 并对辐射剂量场进行了蒙特卡洛数值模拟计算和全范围可视化。

1 核设施退役作业过程场景建模

针对核设施退役环境中三维辐射场,实现核设施退役作业过程三维辐射场建模与计算路线如图1所示。

利用三维造型软件对所需的核设施退役三维环境进行建模。在建模过程中,既要兼顾核设施退役的工作场景及机械作业过程中的真实性; 又要保证模型尽量简化,以缩短后续辐射场计算时间、核设施退役的工程周期,提高实际工程问题的工程速度和经济性。

模型原点( 0,0,0) 设在房间内的一角,房间内部空间为6 m×20 m×5 m的空间,房间墙壁均为1 m厚的混凝土,该环境下共存在5个放射源,源项具体说明,如表1所示。

为客观的反映出在工程实践中出现的较为复杂的源项问题,选取了不同物质材料的中子源与γ源作为模拟源项,并同时取用单一和离散的能谱分布形式。其中3、4、5号源能量为单一能谱分布,分别为1. 17 Me V、3 Me V、1 Me V,而1、2号源能量分布如表2所示。

模型中5个放射源的几何中心在XOY平面的投影位置,如表3所示。

建模后的效果图,如图2所示。

图中1 ~ 5为放射源,6为屏蔽体,7为一辆在该核设施退役场景中进行作业的工程作业车。

2 目标问题动态三维辐射场计算

在充分考虑核设施退役场景中的几何结构及源项情况,例如源项能谱分布、类型、位置及形状大小等各种几何结构后,利用核与辐射输运计算自动建模软件( MCAM)[8]与蒙特卡洛计算软件( MCNP) , 得到目标问题三维辐射场计算结果。对于较为复杂的源项,在辐射场的计算过程中需要对每个源项逐个计算,再对整个核设施退役环境中的辐射场进行整体求和。

由于要求对三维辐射场进行可视化,则要对核设施退役环境进行布点测量三维辐射场的粒子注量率或能量注量率,随着测量点数量的增加,可视化的辐射场愈精确,但随着测量点数目的增加,辐射场的计算时间也将同时增加,这无疑是降低了其工程速度和经济性,因此需要找到一个适当的测量点数量, 在保障辐射场准确性和可靠性的前提下,尽量减少测量点的数目。虚拟仿真中设定的测量点间距为10 cm,因此得到一个60×200×50的测量点阵,获得整个核设施退役环境的辐射场分布。

3 计算结果与分析

3. 1 三维辐射场可视化

通过对核设施场景的建模和计算得到一个关于整个核设施退役环境辐射场三维的矩阵,利用辐射虚拟仿真系统( RVIS)[8]将该矩阵和核设施退役场景的三维模型相耦合,实现该核设施退役场景中三维辐射场的可视化[9],效果如图3所示。

3. 2 作业机械关键零部件在不同步长时瞬时粒子 注量率

因为电子电路中含有仪控仪表、半导体等易受辐照损坏的电子元件,在退役作业过程中作业机械接受的辐射剂量同样也需要考虑,虚拟仿真中设定工程作业车以每2 m一个步长沿直线前进,模拟计算以控制仪表及电路中半导体材料为例的作业机械关键零部件位于工程作业车顶部半球,且被一层钨镍合金的屏蔽材料包裹,模拟计算得到作业机械关键零部件不同步长的瞬时粒子注量率结果统计如图4所示。在模拟计算时,每个源项均选择109个粒子进行模拟 计算,光子的粒 子注量率 误差范围 在1. 04% ~ 3. 52% ,中子的粒子注量率误差范围在0. 07% ~ 1. 58% 。

图中看出作业机械关键零部件在不同步长时瞬时中子注量率、光子注量率的变化与虚拟仿真得到可视化的三维辐射场相吻合,中子注量率在4步长时达到最大值,光子注量率在2步长时达到最大值, 在6、7步长时略有升高。

3. 3 模拟计算结果的理论验证

当测量点与辐射源的距离比源本身几何尺寸大5倍以上,即可以将辐射源看成是点源,为了验证虚拟现实技术应用于核设施退役中三维辐射场计算结果的准确性和可靠性,本文选用空气中照射量率理论计算公式对选取的验证点进行理论验证,选取的验证点在空气中照射量率理论计算公式为:

式中Ai为第i个源的放射性活度,Γ为放射性核素的照射量率常数,r为选取的测量点到点源的距离。

选取Q1( 380,1 650,500 ) 、Q2( 380,1 700, 500) 、Q3( 380,1 750,500) 、Q4( 380,1 800,500) 、Q5 ( 380,1 850,500) 进行验证,将验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率进行做比,结果如图5所示。

从图5中可以看出,验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率之比范围为0. 89 ~ 1. 2,模拟计算值与理论值较为一致,虚拟现实技术模拟计算的三维辐射场具有可靠性、可行性和真实性。

4 结束语

核设施退役过程中工况复杂,退役作业过程中的源项及周围环境在时刻发生变化,本文采用专业软件针对给定的核设施退役作业过程场景进行了合理建模,对目标问题的三维动态辐射场进行了模拟计算与可视化,并对模拟结果进行了分析与验证,仿真结果能够直观反映核设施退役场景中剂量的分布情况。本研究工作可为下一步建立核设施退役工程虚拟仿真综合平台,实现最优退役途径选择,退役方案优化,退役作业过程中人、机、环境辐射剂量评估提供软件基础与数值依据。

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电磁辐射场论文 篇8

1 电磁流量计的基本方程

假设管道中的被测流体是非磁性的,且流体中的位移电流可忽略,不考虑Hall效应及热电效应等,流体的电导率均匀并满足Ohm定律。Bevir利用场论中的Green公式推导出了感生电势的积分形式[1]:

其中,积分域τ实际上指所有流动的流体; W珝为权重函数,由流量计电极的形状、大小和被测介质决定,与磁场、流场分布无关[2]。

定义J( x,y) 如下:

将式( 1) 沿直角坐标系分解得[3,4]:

由于权重函数随着离开电极所在中心截面距离增大而迅速减小[5],那些距离电极中心平面较远的管内空间流体产生的感生电势对电极间的输出信号基本上没有贡献,因此对于式( 3) 也可用一个二维的表达式来计算感生电势,即:

由于实际中ByBx,为了计算简便,式中BxWy项有时也可忽略不计。

2 多物理场的建模仿真

2. 1 三维磁场的数值模拟

选取不带极靴磁轭的马鞍形线圈传感器为研究对象,如图1所示。电磁流量计一般为低频方波励磁,在方波励磁的半个周期内可近似认为通入线圈的为直流电,因此可采用稳态仿真。设定线圈的励磁电流为与方波信号峰峰值相等的直流电,记为Im。建立仿真模型时[6],对于不同的口径,马鞍形线圈的尺寸会有较大的变化,为了后期能达到对线圈尺寸优化的目的,实现参数化输入建模仿真,设计了如图1所示的参数来确定线圈。

建立与实际尺寸完全一致的三维模型,线圈匝数N = 800匝,励磁电流Im= 125m A,漆包线直径Φ = 0. 38mm。管道横向和纵向中心截面的磁通密度沿Y轴分布,如图2所示。

2. 2基于“虚电流”定义求解权重函数

点电极下的二维权重函数分布早在上世纪60年代初时Shercliff就给出了 数学解析 表达式[7]。20世纪70年代,Bevir M K首次引入“虚电流”并将权重函数从二维发展到三维[1]。笔者从“虚电流”的定义出发采用有限元法对二维、三维权重函数建模求解。设定求解域和边界条件划分网格并选择稳态求解器求解,得到点电极下二维权函数分布的数值解,并与Shercliff求得的解析解对比( 图3) 。其结果与解析解基本吻合,同样将此法应用于三维权重函数的求解,其结果如图4所示。

假设线圈在测量域上产生的磁场均匀,即By= B0,那么无论是采用二维计算还是三维计算, 其结果在数值上应该相差不多,即ΔU2d≈ΔU3d, 因此再对照式( 3) 、( 4) ,不难发现权重函数二维和三维之间的联系,即:

2. 3 流体速度场分布

实际应用中,一般保证流体在流经电磁流量计时已充分发展,因此可借鉴Nikuradse的1 /n幂次律分布来计算管道截面流场的速度分布[2]。湍流与层流的速度分布如图5所示。

3 多物理场耦合

3. 1二维计算

根据式( 4) ( 电势的二维计算式) 可知,积分区域S即电极所在的中心平面,因此只需要获得该平面上的磁通密度Bv的分布,采用二维权重函数的计算方法获得权重函数Wx的分布,并根据公式即可求得该平面上速度Vz的分布情况。在整个中心平面S上,对圆面进行点划分,每个点代表一个很小的流体微元。点划分时可确定每一点的坐标( x,y) ,前面已获得了平面S上的Bv、Wx 和Vz的分布,通过插值计算可获得每一点的数值Bv( x,y) 、Wx( x,y) 和Vz( x,y) ,三数相乘然后对整个平面上的各点进行积分即可获得ΔU2d的数值。

3. 2 三维计算

二维计算时忽略了仿真的物理场沿测量管轴向的分布,而这恰恰是三维计算时需要考虑的。在考虑轴向分布时,将测量管沿轴向进行面划分, 为了节省计算资源,在靠近电极的测量管划分较密而在远离电极的区域划分稀疏一点。在划分的每一个圆面上采用与二维计算时相同的方法确定每个点的物理量,然后代入式( 2) 中计算出J( x, y) ,最后将获得的J ( x,y ) 代入式 ( 3 ) 即可求得ΔU3d。

3. 3 计算方法的优劣

二维计算时只考虑了电极所在的中心平面而忽略其他,是一个面积分问题,难免会计算不精准,但不能否认这能节省大量的计算资源,减少计算时间。三维计算是一个体积分问题,更符合实际情况,对于计算精度也有一定的提高,但计算时间较长。

4 实验对比

为了验证仿真计算的准确性和合理性,选取DN100mm口径的电磁流量计为研究对象,建立与实际尺寸完全相符的几何模型进行仿真,并在称重法水流量标准装置中进行相关的实流实验。水流量标准装置管路和实物如图6所示。该装置流量稳定性为0. 1% ,流量范围为0. 005 ~ 550m3/ h, 不确定度为0. 005% ( k = 2) ,实验管道包括50、100、200mm等7种不同口径。

由于电极两端能产生的电势极其微弱,一般设计的灵敏度为μV/( m·s- 1) ,无法直接测量电极两端的感生电势,需要将该信号进行放大才能测量。实验测量电路的放大倍数记为K。实验时为方波励磁,故电极两端产生的感生电势经过放大后也为方波,如图7a所示。测量的流速范围是0. 5 ~ 6. 0m / s,中间每间隔0. 5m / s有一个测量点,每个点测量3次,取3次测量的平均值,记为Ua,即电极两端感生电势的实际值。采用前文二维、三维计算方法分别计算电极两端的电势,分别记为U2d、U3d。实验值与仿真值的对比如图7所示。

从图7中可以发现,三维计算比二维计算更接近于实 际值,三维计算 的平均相 对偏差为 - 3. 9% ,而采用二 维计算时 平均相对 偏差为 - 11. 8% ,具体数据见表1。

5 结束语

通过有限元数值计算方法对电磁流量传感器进行多物理场建模仿真,最终计算出了电极两端的感生电动势。分别从二维和三维的角度对传感器模型进行数值计算,并与实验值进行对比,发现三维计算比二维计算有着更高的精度,一方面说明了笔者所采用的计算方法的科学性与合理性, 另一方面说明了采用三维计算比二维计算有着更高的精度,更能符合实际,但需要耗费较长的时间。

摘要：采用有限元数值计算,对电磁流量计传感器建立三维模型计算空间磁通密度分布。根据权重函数的物理意义从虚电流的定义出发,求得二维权重函数数值解,与解析解基本吻合,并将此法应用于三维权重函数的求解。分别采用二维和三维积分计算磁通密度、权重函数并对流场进行数值耦合,获得电极两端感生电势并与实验值对比,相对偏差分别为-11.8%和-3.9%,证明了所提计算方法的合理性。

关键词：感生电势,电磁流量计,权重函数,有限元,磁通密度

参考文献

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[6]Zimmerman W B J.COMSOL Multi-physics有限元法多物理场建模与分析[M].北京:人民交通出版社,2007:282.

电磁辐射场论文 篇9

1 材料与方法

1.1 加速器

Varian 2300 C/D型电子直线加速器。该加速器最大额定X射线能量为15 MV, 最大剂量率为600 c Gy/min, 最大电子线能量为20 Me V, 最大电子线剂量率为400 c Gy/min。靶材料为钨, 年出束时间约1 200 h。

1.2 监测仪器及性能

德国automess 6150AD-b便携式环境X、γ剂量率仪, 探测范围为1~99.99μSv/h, 能量范围为23 ke V~7 Me V。仪器经广东省辐射计量检定站检定, 在有效期内使用。

1.3 监测时间和内容

自2013年6—11月期间监测高能医用中心加速器机房内γ射线空气吸收剂量率。

1.4 监测方法

采用加速器15 MV X射线, 10 cm×10 cm照射野, 监测加速器在200、400、600 MU出束剂量、停止出束10 min内的机头感生放射性辐射水平; (2) 采用加速器15 MV X射线, 不同照射野, 监测加速器在600 MU出束剂量、停止出束10 min内的机头感生放射性辐射水平; (3) 采用加速器15 MV X射线, 40 cm×40 cm照射野, 监测加速器在600 MU出束剂量、停止出束10 min内的不同距离感生放射性辐射水平; (4) 采用加速器9、12、16、20 Me V电子线, 10 cm×10cm照射野, 监测加速器在停止出束10 min内的机头感生放射性辐射水平; (5) 采用加速器20 Me V电子线, 10cm×10 cm照射野, 监测加速器在停止出束10 min内的不同距离感生放射性辐射水平。

1.5 统计学分析

采用SPSS 19软件, 对数据进行相关性分析。

2 结果

2.1 放射性本底

应用德国automess 6150AD-b便携式环境X、γ剂量率仪对机房放射性本底进行测量, 本底为0.14~0.20μSv/h (文中剂量率均扣除本底) 。

2.2 感生放射性与出束剂量的关系

采用医院对患者进行放疗常用300 MU/min焦点剂量率进行出束, 当出束剂量分别为200、400、600 MU时, 不同时间内产生感生放射性剂量水平随出束剂量的增加而升高 (r=0.996, P>0.05) 。见表1。

2.3 感生放射性与照射野的关系

当照射野面积分别是10 cm×10 cm、20 cm×20 cm、30 cm×30 cm、40 cm×40 cm时, 30 s时其感生放射性分别是7.73、8.08、7.71、6.87μSv/h。由此可见感生放射性随着照射野面积的增大而减小 (r=-0.847, P>0.05) 。见表2。

2.4 感生放射性与距离的关系

在工作人员进行摆位的治疗床周围不同距离的感生放射性随距离变化有变化, 其特点是机头位置最高, 其次是治疗床平面距照射野中心100 cm处, 治疗床平面距照射野中心200 cm处最低。见表3。

2.5 感生放射性与时间的关系

不同出束剂量、不同照射野、不同位置的感生放射性在停止出束后随时间延长而下降, 在5 min内下降速率较快, 5 min后下降较慢见图1。

2.6 高能电子线与感生放射性关系

分别对9、12、16、20 Me V电子线的感生放射性进行测量, 低于10Me V不产生感生放射性, 高于10 Me V产生感生放射性, 30 s能检测到微量感生放射性, 12、16、20 Me V分别为0.10、0.10、0.12μSv/h, 1 min后均消失。采用加速器20 Me V电子线, 10 cm×10 cm照射野, 加速器在停止出束10 min内的不同距离感生放射性30 s后均消失。

3 讨论

高能加速器治疗室内感生放射性水平与加速器的能量、粒子类型、机头处和周围物品的结构材料、照射时间、冷却时间等因素密切相关。Stevenson等研究表明[5,6,7,8], 机头结构材料处 (如加速器的靶、遮线器、均整器等) 感生放射性核素的活度与高能质子在其中发生的非弹性散射次数有关, 而核反应次数又与入射质子的能量和材料有关, 并且更大程度上是依赖于入射质子的能量, 不同能量之间核反应次数的差别明显大于不同材料之间的差别。本研究发现, 感生放射性有随着照射野面积的增大而变小的趋势, 主要原因是照射野越小, 中子与加速器结构材料发生 (n, γ) 俘获反应概率越高, 感生放射性就越大。

本研究发现, 高能加速器感生放射性的辐射场分布不均匀, 没有按照与距离的平方成反比的规律衰减。其主要原因是机房内被活化的物品较多, 除了机头, 还有治疗床及其他设备。因此, 工作人员在机房内工作时不能靠距离进行防护, 需要缩短在机房的工作时间进行防护。

卢峰等[2]的研究结果表明, 加速器治疗头处的感生放射性水平与照射剂量成正比关系, 照射剂量越大, 则感生放射性的水平越高。在冷却时间段内 (1 min) , 这种正比关系更为明显。冷却时间段内 (5 min) 感生放射性的水平随剂量增高的而趋势变缓。同时, 加速器治疗机头处的感生放射性水平与停止照射后的冷却时间成反比, 随着冷却时间的延长, 感生放射性水平降低。本研究发现, 高能加速器的感生放射性随出束剂量的增加而升高, 其5 min内的衰减速度也随出束剂量增加而加快, 7~10 min衰减缓慢。感生放射性与照射野无显著性关系, 因此放疗工作人员只需要根据不同出束剂量确定进入机房的时间, 一般5 min后进入, 最迟不要超过10 min。高能电子线产生感生放射性水平极低, 衰减极快, 30 s后基本消失, 因此在单独进行高能电子线治疗时, 工作人员无需推迟进入机房时间。

感生放射性对人体健康所造成的影响具有潜伏期长、效应出现较晚的特点。其主要表现在易对人体的性腺、红骨髓、骨骼、肺、甲状腺及乳腺、发生癌的其他组织、皮肤以及眼晶体产生放射性危害, 如诱发白血病、生育能力受损、甲状腺癌、乳腺癌、皮肤癌等[9,10]。目前, 全国从事放疗的操作技师有近万名, 技师要在照射结束后短时间内进入治疗室进行摆位等工作, 这时未冷却的感生放射性势必会对其造成危害。在保证放疗质量的同时, 应使放疗工作人员所遭受的辐射剂量合理保持在可以做到的最低水平作为放疗防护的目标[11,12,13], 因此可以从以下几个方面来以减少其对工作人员造成的危害, 一是做好个人防护, 穿戴好铅衣、铅围脖、铅帽、铅眼镜;二是提高摆位效率, 缩短滞留机房时间;三是合理推迟进入机房的时间, 5 min后进入机房;四是合理安排治疗方式, 采用需高能治疗的患者和需低能治疗的患者交替进行;五是加强通风, 降低空气中感生放射性水平[14,15,16]。

摘要：目的 通过现场监测高能医用直线加速器感生放射性辐射场分布及其变化, 提出针对性的防护措施。方法 模拟放射治疗环境, 监测高能医用直线加速器感生放射性随能量、射线类型、出束剂量、照射野面积、距离和时间的变化。结果 高能光子线的感生放射性辐射水平随出束剂量的增加而升高 (r=0.996, P>0.05) ;随出束停止时间的增加而迅速下降, 5 min下降最快;有随着照射野面积的增大而变小的趋势;没有按照与距离平方成反比的规律衰减。高能电子线的感生放射性在停机后迅速消失。结论 放疗工作人员在应用高能加速器对患者进行治疗结束后, 只需要对高能光子线产生的感生放射性进行防护;通过缩短给患者摆位的时间、合理推迟进入机房的时间和采取合理安排高低能射线照射方式及加强机房内部通风等措施, 尽可能减少感生放射性危害。